Rare Metals 清华大学韩志强：Sr和La变质及固溶处理对Al-Si-Mg系合金冲击性能的影响研究

     2024年04月19日

Sr和La变质及固溶处理对Al-Si-Mg系合金冲击性能的影响研究

郑雄领，李少翔*，马家乐，许庆彦，韩志强*，赵海东

清华大学材料科学与工程学院先进成形制造教育部重点实验室

华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心

 

【文献链接】

Zheng, XL., Li, SX., Ma, JL. et al. Improvement of impact properties of Al–Si–Mg alloy via solution treatment and joint modification with Sr and La. Rare Met. (2024). 

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02622-y

 

【背景介绍】

铝合金可作为结构材料被广泛应用于建筑领域，研究发现铸造铝合金模板（简称铝模）在施工过程中破损率较高，其原因主要是由于铝模在冲击载荷下会发生快速地开裂。为了提升铝模的抗冲击性能，本文对铸造Al-Si-Mg合金进行Sr和La变质，并对变质后的合金进行固溶处理，从而提升合金的冲击韧性。通过光学显微镜（OP）、扫描电镜（SEM）和示波冲击试验等手段，研究了合金的微观结构、断裂机理和冲击性能的相关性。结果表明，添加Sr和La可以大幅细化铸态合金中的共晶Si颗粒，颗粒尺寸从~2.05 μm（单独用Sr改性）大幅细化到 ~0.75 μm。Sr和La变质的合金经过535 ℃固溶处理8小时后具有相对最佳的共晶Si形貌。该合金表现出优异的冲击韧性，最高可达 75 J·cm-2，远高于Sr单独变质合金的最大冲击韧性（~46 J·cm-2）。冲击韧性的提高主要原因是裂纹形成能的显著增加，而裂纹形成能的增加与共晶Si颗粒的形貌有关。同时，固溶过程中形成的无弥散相区（DFZ）主要由韧性的Al基体组成，而韧性的DFZ可以进一步阻碍裂纹的扩展，导致裂纹扩展能显著增加。这项工作表明Sr和La变质及固溶处理的联合使用可以有效提高Al-Si-Mg合金的冲击性能。

 

【文章亮点】

1.首次报道了使用Sr和La变质与固溶处理相结合的方法提升铸造Al-Si-Mg合金的冲击韧性

2.揭示了合金冲击性能提升的主要原因是裂纹形成能的增加。

3.探究了冲击裂纹扩展和固溶后合金中无弥散相区的关系。

 

【内容简介】

日前，清华大学材料学院韩志强教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Improvement of impact properties of Al–Si–Mg alloy via solution treatment and joint modification with Sr and La”的研究文章，使用Sr和La变质与固溶处理相结合的方法显著提升铸造Al-Si-Mg合金的冲击韧性。

添加Sr和La和固溶处理后的Al-Si-Mg合金表现出优异的的冲击韧性，其性能优于目前商用的A356.2合金和报道的Al-Si-Mg合金。冲击韧性的提高主要原因是裂纹形成能的显著增加，而共晶Si颗粒的球化程度有利于裂纹形成能的提升。同时，韧性DFZ阻碍裂纹扩展的现象导致了裂纹扩展能的增加。

 

【图文解析】

图1 ASrLa合金在535 ℃下固溶处理不同时间后的共晶Si颗粒的显微结构：（a）0h,（b）0.25h,（c）0.5h,（d）1h,（e）2h,（f）4h,（g）8h,（h）12h

图1显示了深度腐蚀后ASrLa合金溶液在535 ℃下固溶处理不同时间后的立体共晶Si颗粒形貌。图1 （b）表明在固溶处理0.25 h后大多数共晶Si颗粒仍然是珊瑚状的。在固溶处理的1 h内，大多数珊瑚状的Si会发生溶解、缩颈和碎裂，珊瑚状的Si被分解成大量细小的球状颗粒。固溶处理4到8 h的过程中，更多细小的共晶Si颗粒溶解，同时形成了更加均分的分布。固溶时间增加到12 h，Si原子的扩散导致Si颗粒进一步变粗。因此，ASrLa合金中Si颗粒在固溶处理过程中的变化主要快速碎裂、球化、均匀化和粗化等过程。

图2（a）ASr和ASrLa合金Wt随固溶时间的变化曲线，（b）共晶Si颗粒的球化程度对ASrLa合金的冲击性能的影响

图2（a）描述了ASr和ASrLa合金的总冲击吸收能量（Wt）随固溶时间的变化曲线。可以发现ASrLa合金的Wt整体高于ASr合金，说明Sr和La的复合变质相较于传统的Sr变质可以显著提升合金的冲击韧性。固溶处理1 h内，ASrLa合金Wt急剧增加。在固溶处理的1到4 h内，ASrLa合金的Wt没有显著变化，约60 J左右。将固溶处理时间增加到8 h，ASr和ASrLa合金的Wt都达到了最大值。然而，在12 h的固溶处理后，两种合金的Wt均明显下降，这可能是由于共晶Si颗粒直径明显的增加和长径比的小幅回升。在图2（b）中，x坐标对应于长径比的倒数，其中接近1的值表示球化程度较高，而接近0的值表示球化程度较低。可以发现ASrLa合金的冲击吸收能量与Si颗粒的球化程度之间呈正相关。经过8 h的固溶处理，ASrLa合金表现出最优异的冲击韧性，且Si颗粒的球化程度达到最佳。因此，可以推断出共晶Si的球化程度会显著影响ASrLa合金的冲击性能。

图3 ASrLa合金的断裂机理示意图：（a）铸态，（b）8 h固溶处理（535℃），α-Al晶粒为白色，共晶Si颗粒为蓝色，绿点表示富Si相，黑点表示含Si弥散相，橙色线表示沿共晶区的主裂纹，绿色线表示穿过DFZ带的主裂纹，红色线表示Si颗粒的微裂纹

提出相应的断裂机制如图3所示。铸态ASrLa合金的珊瑚状共晶Si颗粒通常具有较高长径比，这导致裂纹主要以共晶区域为扩展路径。因此，铸态下的合金表现出较差的冲击性能。经过8 h的固溶处理，共晶Si颗粒溶解并球化，形成均匀的分布。球化和均匀化过程可以有效地效阻碍裂纹在共晶区中的萌生与扩展，同时基体中富Si相的溶解引起了含Si弥散相的析出，最终形成无弥散相区（DFZ）。在α-Al晶粒心部析出的纳米级弥散相，可以进一步阻碍裂纹贯穿整个Al晶粒。因此固溶后合金的裂纹主要经过无弥散相区DFZ。而DFZ中韧性的Al基体使得DFZ带的断裂是塑性的。因此，经过固溶处理的ASrLa合金表现出更优异的冲击韧性。

 

【全文小结】

1. Sr和La的联合添加可以显著细化Al-Si-Mg合金中的共晶Si颗粒。经过535℃固溶处理8小时后获得球化程度最高共晶Si颗粒形貌；

2. 由Sr和La变质的Al-Si-Mg合金（ASrLa）表现出最佳的冲击性能，约为75 J·cm-2，远高于仅由Sr变质的合金（约为46 J·cm-2）。ASrLa合金的冲击性能受到Si颗粒球化程度的影响。冲击性能的提高主要归因于裂纹起始能量的显著增加；

3. 经固溶处理后，共晶区域附近形成了一个无弥散相区（DFZ），由具有延展性的铝基体构成。DFZ阻碍了裂纹的传播，导致了裂纹扩展能的显著提高。

 

【作者简介】

韩志强，博士，清华大学材料学院，教授，博士生导师。中国铸造协会挤压铸造工作委员会副主任委员，中国机械工程学会特种铸造及有色合金技术委员会委员，美国矿物金属材料学会（TMS）集成计算材料工程（ICME）委员会委员。面向汽车、航天等领域装备轻量化需求，开展铝、镁合金先进铸造成形技术及宏/微观建模仿真的理论与应用研究。近年来主持和参与国家自然科学基金航天联合基金重点、国家科技重大专项、国家重点研发计划、国际科技合作、行业骨干企业科研项目20余项。在铝、镁合金材料工艺、过程测试、多尺度全过程建模与仿真等方面取得多项创新成果，以第一、二完成人获省部级科技奖励2项。在清华大学面向本科生和研究生开设《材料加工传输原理》、《近净成形先进技术》、《材料加工系列实验》等课程。获清华大学优秀博士学位论文指导教师称号。